CN104132850B - 页岩原位体积压裂试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种页岩原位体积压裂试验系统，属于页岩气开发技术领域，包括开有中心孔的立方体形的页岩试件、用于对所述页岩试件施加压力的三轴加载系统、用于对所述页岩试件注射压裂液的体积压裂系统以及用于采集所述页岩试件在破裂过程中的声音和载荷的数据监测采集系统。本页岩原位体积压裂试验系统采用真实的页岩体为试验对象，相对于现有的系统增加了带有柔性液压囊的三轴加载系统，能够真实地模拟页岩气开发过程中页岩层所受到的应力，以便人们获得更准确的页岩破裂的相关技术数据，有效解决现有的研究页岩原位体积压裂的试验系统无法模拟真实的开采过程中页岩层的应力状态和破裂模式的问题。

Description

页岩原位体积压裂试验系统

技术领域

本发明涉及页岩气开采技术领域，具体而言，涉及页岩原位体积压裂试验系统。

背景技术

页岩气，是从页岩层中开采出来的一种非常规天然气资源，是一种非常重要的清洁能源。目前国际上开采页岩气常用的技术为体积压裂技术。但是，现有的研究页岩原位体积压裂的试验系统及方法基本都是以水泥、细沙以及玻璃片等混合成的物理模型为压力试件，无法模拟真实的开采过程中页岩层的应力状态和破裂模式。

发明内容

本发明的目的在于提供页岩原位体积压裂试验系统，以解决现有的研究页岩原位体积压裂的试验系统及方法无法模拟真实的开采过程中页岩层的应力状态和破裂模式的问题。

本发明是这样实现的：

本页岩原位体积压裂试验系统包括开有中心孔的立方体形的页岩试件、用于对页岩试件施加压力的三轴加载系统、用于对页岩试件注射压裂液的体积压裂系统以及用于采集页岩试件在破裂过程中的声音和载荷的数据监测采集系统。三轴加载系统包括多个轴向施压于页岩试件的液压千斤顶和侧向施压于页岩试件的柔性液压囊，液压千斤顶和柔性液压囊均外接有液压源。体积压裂系统包括依次连接的注液管和注塞泵，注液管的输出口伸入中心孔，注塞泵外接有压裂液源。数据监测采集系统包括声发射探头、压力传感器以及微机控制器，声发射探头和压力传感器分别与微机控制器连接。

进一步地，三轴加载系统包括外接有液压源的液压箱，多个液压千斤顶均设置于液压箱上。液压箱可以高效及时地为多个液压千斤顶提供液压油。

进一步地，页岩原位体积压裂试验系统位于硐室内部，包括用于稳定整个系统的支撑装置。支撑装置包括上支撑柱、右支撑柱、主支撑柱以及副支撑柱。上支撑柱一端抵住所述液压箱上部，另一端抵住硐室顶壁；右支撑柱一端抵住液压箱右部，另一端抵住硐室右侧壁；主支撑柱和副支撑柱均一端抵住液压箱下部，另一端抵住硐室地面。主支撑柱和副支撑柱用于承载整个实验系统的重量，右支撑柱用于为液压千斤顶提供反作用力，上支撑柱用于保证整个实验系统的受力平衡。

进一步地，压力传感器有5个，其中1个设置于页岩试件的中心孔内，其余4个分别设置于页岩试件侧向的4个面上。这5个压力传感器可以全面有效地检测实验过程中页岩试件所受到的应力值，并反馈给数据采集监测系统。

进一步地，多个液压千斤顶连接有直接对页岩试件施压的立方体形的柔性加载板。柔性加载板能使多个液压千斤顶提供的力均匀地施加于页岩试件上，以便使实验效果最优化。

进一步地，声发射探头有7个，其中3个设置于柔性加载板轴向的施压于页岩试件的面上，其余4个分别设置于柔性加载板侧向的4个面上。这7个声发射探头可以全面地监测试验过程中页岩试件发出的声音信号，并反馈给数据采集监测系统。

进一步地，柔性加载板与页岩试件之间设置有用于密封的垫圈和环氧树脂胶结层，垫圈和环氧树脂胶结层均开有与页岩试件的中心孔匹配的孔。垫圈和环氧树脂胶结层的设置对中心孔具有良好的密封效果，并且可以防止液压千斤顶在施力时对页岩试件造成非实验目的物理性破坏。

进一步地，多个柔性液压囊之间设置有封隔柱，以防止多个柔性液压囊之间相互干涉，影响应力模拟效果。

进一步地，液压千斤顶和柔性液压囊均连接有液压控制器，以实现三轴加载系统的自动化运转。

本页岩原位体积压裂试验系统采用真实的页岩体为试验对象，相对于现有的系统增加了带有柔性液压囊的三轴加载系统，能够真实地模拟页岩气开发过程中页岩层所受到的应力，以便人们获得更准确的页岩破裂的相关技术数据，有效解决现有的研究页岩原位体积压裂的试验系统及方法无法模拟真实的开采过程中页岩层的应力状态和破裂模式的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的页岩原位体积压裂试验系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的体积压裂系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的页岩试件的被施压示意图；

图4为通过方形排钻方式取得的页岩试件的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参阅图1-4，本页岩原位体积压裂试验系统包括开有中心孔160的立方体形的页岩试件250、用于对页岩试件250施加压力的三轴加载系统、用于对页岩试件250注射压裂液的体积压裂系统以及用于采集页岩试件250在破裂过程中的声音和载荷的数据监测采集系统。三轴加载系统包括9个轴向施压于页岩试件250的液压千斤顶120和4个侧向施压于页岩试件250的柔性液压囊170，液压千斤顶120和柔性液压囊170均外接有液压源220。体积压裂系统包括依次连接的注液管330和注塞泵300，注液管330的输出口伸入中心孔160，注塞泵300外接有压裂液源230。数据监测采集系统包括声发射探头180、压力传感器270以及微机控制器240，声发射探头180和压力传感器270分别与微机控制器240连接。

三轴加载系统包括外接有液压源220的液压箱110，9个液压千斤顶120均设置于液压箱110上。液压箱110可以高效及时地为9个液压千斤顶120提供液压油。

页岩原位体积压裂试验系统位于硐室内部，包括用于稳定整个系统的支撑装置。支撑装置包括上支撑柱210、右支撑柱200、主支撑柱190以及副支撑柱195。上支撑柱210一端抵住所述液压箱110上部，另一端抵住硐室顶壁；右支撑柱200一端抵住液压箱110右部，另一端抵住硐室右侧壁；主支撑柱190和副支撑柱195均一端抵住液压箱110下部，另一端抵住硐室地面。主支撑柱190和副支撑柱195用于承载整个实验系统的重量，右支撑柱200用于为液压千斤顶120提供反作用力，上支撑柱210用于保证整个实验系统的受力平衡。

压力传感器270有5个，其中1个设置于页岩试件250的中心孔160内，其余4个分别设置于页岩试件250侧向的4个面上。这5个压力传感器270可以全面有效地检测实验过程中页岩试件250所受到的应力值，并反馈给数据采集监测系统。

9个液压千斤顶120连接有直接对页岩试件250施压的立方体形的柔性加载板130。柔性加载板130能使9个液压千斤顶120提供的力均匀地施加于页岩试件250上，以便使实验效果最优化。

声发射探头180有7个，其中3个设置于柔性加载板130轴向的施压于页岩试件250的面上，其余4个分别设置于柔性加载板130侧向的4个面上。这7个声发射探头180可以全面地监测试验过程中页岩试件250发出的声音信号，并反馈给数据采集监测系统。

柔性加载板130与页岩试件250之间设置有用于密封的垫圈150和环氧树脂胶结层140，垫圈150和环氧树脂胶结层140均开有与页岩试件250的中心孔160匹配的孔。垫圈150和环氧树脂胶结层140的设置对中心孔160具有良好的密封效果，并且可以防止液压千斤顶120在施力时对页岩试件250造成非实验目的物理性破坏。

4个柔性液压囊170之间设置有封隔柱260，以防止4个柔性液压囊170之间相互干涉，影响应力模拟效果。

9个液压千斤顶120和4个柔性液压囊170均连接有液压控制器280，以实现三轴加载系统的自动化运转。

注塞泵300连接有伺服增压器290，伺服增压器290与压裂液源230连接。以便控制压裂液的注射压力，达到实验要求。

声发射探头180和微机控制器240之间设置有信号放大器，以便微机控制器240更好地接收页岩试件250破裂过程中发出声音信号。

注液管330上设置有压力计310和流量计320，以便监控注液管330内压裂液的压力值和流量值。

本页岩原位体积压裂试验系统采用真实的页岩体为试验对象，相对于现有的系统增加了带有柔性液压囊170的三轴加载系统，能够真实地模拟页岩气开发过程中页岩层所受到的应力，以便人们获得更准确的页岩破裂的相关技术数据，有效解决现有的研究页岩原位体积压裂的试验系统及方法无法模拟真实的开采过程中页岩层的应力状态和破裂模式的问题。

本基于上述的页岩原位体积压裂试验系统的页岩原位体积压裂试验方法包括以下步骤：

SP1：利用方形排钻方式取样，钻取立方体形的页岩试件250，试件尺寸1000mm×1000mm×1000mm或者500mm×500mm×500mm，中心压裂孔尺寸为或者页岩试件250的侧壁和中心孔160壁打磨光滑。

SP2：在可移动的储液车中制作压裂液以作为压裂液源，这种方式能够满足不同实验场地的需要，而且受外界影响小。

SP3：4个柔性液压囊170分别与液压管连接，然后平整放入方形试件的四周，并在4个柔性液压囊170之间设置封隔柱260，以防止侧向加载的时候四个柔性液压囊170相互干涉影响。

SP4：将注液管330放入页岩的中心孔160中，然后用固化剂密封住中心孔160，并且套上环氧树脂胶结层140，让注液管330的端口与页岩试件250的表面黏贴牢固，达到密封效果。

SP5：安装主支撑柱190和副支撑柱195，然后安装液压箱110以及右支撑柱200，然后将注液管330与注塞泵300连接，并在加载板中预留声发射探头180的安装位置，并与微机控制器240连接，然后安装上支撑柱210。

SP6：将多个压力传感器270安装好，并与微机控制器240连接。

SP7：开启声发射采集功能，并检查各个声发射探头180接触是否良好，然后设置声发射相关参数，包括门槛、波速、采样率、传感器的三维空间位置。

SP8：利用三轴加载系统给页岩试件250施加初始压力，系统稳定后，依据页岩储层的实际的应力给页岩试件250施加轴向和侧向压力。

SP9：启动微机控制器240，设定好压裂液的工作压力和注入流速，启动注塞泵300，依据微机控制器240的设置，向页岩试件250的中心孔160注射压裂液，微机控制器240记录模拟页岩试件250内部各个部分的压力变化和声发射信号。

SP10：当压力传感器270显示的压力值不再增加，即达到压力最大值，此压力值即为介质的破裂压力，停止注塞泵300工作，完成页岩原位体积压裂实验实施。

SP11：实验结束后，观察页岩试件250的中心孔160的破裂特征与方向，并拍照记录，分析和处理监测得到的压力数据、声发射信号以及反应压裂情况的参数。

本页岩原位体积压裂试验方法能够高效真实的模拟检测出真实页岩气开发过程中页岩的破裂情况和规律，有效加快页岩气开发技术的发展。

当然，本页岩原位体积压裂试验方法中的方形排钻取样也可以用圆形排孔取样。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种页岩原位体积压裂试验系统，其特征在于，包括开有中心孔的立方体形的页岩试件、用于对所述页岩试件施加压力的三轴加载系统、用于对所述页岩试件注射压裂液的体积压裂系统以及用于采集所述页岩试件在破裂过程中的声音和载荷的数据监测采集系统，所述三轴加载系统包括多个轴向施压于所述页岩试件的液压千斤顶和侧向施压于所述页岩试件的柔性液压囊，所述液压千斤顶和柔性液压囊均外接有液压源，所述体积压裂系统包括依次连接的注液管和柱 塞泵，所述注液管的输出口伸入所述中心孔，所述 柱塞泵外接有压裂液源，所述数据监测采集系统包括声发射探头、压力传感器以及微机控制器，所述声发射探头和压力传感器分别与微机控制器连接，所述三轴加载系统包括外接有液压源的液压箱，多个液压千斤顶均设置于所述液压箱上，所述页岩原位体积压裂试验系统位于硐室内部，包括用于稳定整个系统的支撑装置，所述支撑装置包括上支撑柱、右支撑柱、主支撑柱以及副支撑柱，所述上支撑柱一端抵住所述液压箱上部，另一端抵住硐室顶壁，所述右支撑柱一端抵住液压箱右部，另一端抵住硐室右侧壁，所述主支撑柱和副支撑柱均一端抵住液压箱下部，另一端抵住硐室地面。

2.根据权利要求1所述的页岩原位体积压裂试验系统，其特征在于，所述压力传感器有5个，其中1个设置于所述页岩试件的中心孔内，其余4个分别设置于所述页岩试件侧向的4个面上。

3.根据权利要求1所述的页岩原位体积压裂试验系统，其特征在于，多个液压千斤顶连接有直接对所述页岩试件施压的立方体形的柔性加载板。

4.根据权利要求3所述的页岩原位体积压裂试验系统，其特征在于，所述声发射探头有7个，其中3个设置于所述柔性加载板轴向的施压于所述页岩试件的面上，其余4个分别设置于所述柔性加载板侧向的4个面上。

5.根据权利要求3所述的页岩原位体积压裂试验系统，其特征在于，所述柔性加载板与所述页岩试件之间设置有用于密封的垫圈和环氧树脂胶结层，所述垫圈和环氧树脂胶结层均开有与所述页岩试件的中心孔匹配的孔。

6.根据权利要求1所述的页岩原位体积压裂试验系统，其特征在于，多个柔性液压囊之间设置有封隔柱。

7.根据权利要求1所述的页岩原位体积压裂试验系统，其特征在于，所述液压千斤顶和所述柔性液压囊均连接有液压控制器。